上海核博會(huì)：探尋新質(zhì)生產(chǎn)力 | 星環(huán)聚能：可控核聚變的十年之約

星環(huán)聚能CEO陳銳

永遠(yuǎn)的50年向10年轉(zhuǎn)變。

相信很多人都看過(guò)漫威的電影《鋼鐵俠》，你是否想過(guò)那個(gè)為托尼提供力量的“核反應(yīng)堆”到底是什么？其實(shí)這個(gè)反應(yīng)堆利用的就是核聚變技術(shù)，源源不斷地向戰(zhàn)甲提供電能，維持戰(zhàn)甲高耗能的需求。在人們的設(shè)想中，可控核聚變技術(shù)的未來(lái)正如電影里描述的那樣——給人類帶來(lái)取之不盡用之不竭的能源。

事實(shí)上，這一存在于科幻電影中的技術(shù)，正成為全球追逐的硬科技焦點(diǎn)。

早在美國(guó)的勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)“核聚變點(diǎn)火”并多次復(fù)現(xiàn)后，全球核聚變商業(yè)化進(jìn)程就持續(xù)受到社會(huì)和資本市場(chǎng)關(guān)注。

2023年，中國(guó)國(guó)務(wù)院國(guó)資委啟動(dòng)實(shí)施未來(lái)產(chǎn)業(yè)啟航行動(dòng)，明確可控核聚變領(lǐng)域?yàn)槲磥?lái)能源的重要方向，由25家央企、科研院所、高校等組成的可控核聚變創(chuàng)新聯(lián)合體也在年末成立。

核聚變是指氘、氚等輕原子核結(jié)合成氦等較重原子核時(shí)，釋放出巨大能量?？煽睾司圩儽环Q為“人造太陽(yáng)”，一直被認(rèn)為是人類解決能源問(wèn)題的重要出路，視為人類“終極能源”。

星環(huán)聚能就是中國(guó)具有代表性的商業(yè)化可控核聚變公司之一。

星環(huán)聚能成立于2021年10月，以建成商用可控聚變堆為己任，潛心于小型化、商業(yè)化、快速迭代的可控聚變能裝置，專注成長(zhǎng)為集研發(fā)、設(shè)計(jì)、運(yùn)維于一體的全球頂尖的聚變能科技企業(yè)。

2022年6月，星環(huán)聚能完成數(shù)億元天使輪融資，由順為資本、昆侖資本、中科創(chuàng)星等多家國(guó)內(nèi)知名投資機(jī)構(gòu)聯(lián)合投資；2024年3月，星環(huán)聚能又完成數(shù)億元Pre-A輪融資，由上海知識(shí)產(chǎn)權(quán)基金領(lǐng)投，華成創(chuàng)投跟投，老股東中科創(chuàng)星、和玉資本持續(xù)跟投。

值得一提的是，去年7月，由清華大學(xué)設(shè)計(jì)，星環(huán)聚能和清華大學(xué)聯(lián)合建設(shè)的SUNIST-2聚變實(shí)驗(yàn)裝置建設(shè)完成并成功點(diǎn)亮等離子體。截至目前，星環(huán)聚能已完成6輪實(shí)驗(yàn)，顯著提高了球形托卡馬克等離子體的性能。實(shí)現(xiàn)了等離子體電流翻倍，等離子體電子溫度提升超過(guò)2倍，最高電子溫度超過(guò)1.2 keV。

近日，星環(huán)聚能CEO陳銳接受了融中財(cái)經(jīng)的采訪，為我們講述了星環(huán)聚能的技術(shù)迭變和商業(yè)路線。

陳銳向我們表示，可控核聚變是一個(gè)征服星辰大海的商業(yè)故事，短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的可能性不大，需要更長(zhǎng)久的探索；同時(shí)這也是一段已知終點(diǎn)的賽跑，全世界在該領(lǐng)域的奮斗者都知道可控核聚變的目標(biāo)是能源的取之不盡、用之不竭，但在這未知的領(lǐng)域，通往終點(diǎn)的路徑如何選擇則是另一個(gè)難題。

星環(huán)聚能的愿景就是尋找距離終點(diǎn)最近的路徑，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)商業(yè)落地，征服可控核聚變商業(yè)化的星辰大海。

20年磨劍，專攻球形托卡馬克路線

可控核聚變實(shí)現(xiàn)后，將為世界帶來(lái)什么改變？

陳銳向融中財(cái)經(jīng)介紹道，可控聚變被廣泛地認(rèn)為是一種終極能源，如果可控聚變實(shí)現(xiàn)的話，它的燃料將會(huì)是無(wú)限的，排放也是清潔的零碳排放。這種核反應(yīng)與裂變不同，可控核聚變是固有安全的。

從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，可控核聚變可以為人類提供近乎無(wú)限的能源。當(dāng)人類擁有無(wú)盡的能源之后，很多問(wèn)題的解決思路將被徹底顛覆。陳銳向我們舉了幾個(gè)例子，比如主糧的生產(chǎn)，現(xiàn)有主糧的生產(chǎn)方式都占用非常大面積的土地。在聚變能的支持下，我們可以建立由人造光源提供光照并通過(guò)空調(diào)系統(tǒng)控制溫濕度的立體化植物工廠，或者直接在化工廠里合成淀粉。主糧的生產(chǎn)將不再是種植業(yè)，而是不受地域限制且可大規(guī)模復(fù)制的制造業(yè)。聚變能還將顛覆航天工業(yè)。，基于聚變反應(yīng)的聚變火箭發(fā)動(dòng)機(jī)比沖可以輕易達(dá)到30000秒，超過(guò)包括星艦猛禽2在內(nèi)的現(xiàn)有火箭發(fā)動(dòng)機(jī)100倍。在聚變發(fā)動(dòng)機(jī)的推動(dòng)下，人類將以遠(yuǎn)快于星艦的速度登陸火星乃至更多行星，成為真正的星際文明。

從陳銳的回答中不難看出，可控核聚變的實(shí)現(xiàn)將會(huì)為人類社會(huì)帶來(lái)巨大的利好。

風(fēng)口的到來(lái)，促進(jìn)了可控核聚變產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展。據(jù)美國(guó)聚變產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)2023年7月發(fā)布的《2023年全球聚變產(chǎn)業(yè)》報(bào)告顯示，全球聚變公司數(shù)量從2022年的33家增長(zhǎng)到43家，展現(xiàn)了這一行業(yè)的活躍度和多樣性。美國(guó)以25家公司數(shù)量位居第一，全球聚變公司已累計(jì)融資超過(guò)62億美元，較2022年增加了約14億美元，增幅達(dá)27%。

從國(guó)內(nèi)角度來(lái)看，今年，“新質(zhì)生產(chǎn)力”一詞被首次寫入政府工作報(bào)告，成為社會(huì)大眾關(guān)注和實(shí)踐的關(guān)鍵詞。也就是在這一大背景下，可控核聚變技術(shù)作為一種新能源領(lǐng)域的前沿新興技術(shù)，被視為新質(zhì)生產(chǎn)力的重要發(fā)展方向。作為一種高質(zhì)量、高密度、零碳排放的清潔能源，核聚變不僅有望為我們提供幾乎無(wú)限的能源，而且其對(duì)環(huán)境的影響極小，是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展和“雙碳”目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)之一。這也為可控核聚變的發(fā)展再添一把火。

目前，星環(huán)聚能以及其他公司積極探索商業(yè)化聚變堆的可能，為中國(guó)核聚變產(chǎn)業(yè)貢獻(xiàn)力量。

根據(jù)陳銳的介紹可以得知，星環(huán)聚能是一個(gè)非常典型的大學(xué)科技成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目。他介紹道：“我們整個(gè)的團(tuán)隊(duì)在2021年10月13日創(chuàng)立公司之前，其實(shí)已經(jīng)從事可控聚變研究20年了。坦率地說(shuō)，我們應(yīng)該是中國(guó)第一支從事球形托卡馬克路線的團(tuán)隊(duì)?！?/p>

星環(huán)聚能團(tuán)隊(duì)成員深耕球形托卡馬克路線20年，在該領(lǐng)域有著深厚的技術(shù)積累。2023年7月，由清華大學(xué)設(shè)計(jì)，星環(huán)聚能和清華大學(xué)聯(lián)合建設(shè)的SUNIST-2聚變實(shí)驗(yàn)裝置建設(shè)完成并成功點(diǎn)亮等離子體。截至目前，星環(huán)聚能已完成6輪實(shí)驗(yàn)，顯著提高了球形托卡馬克等離子體的性能。實(shí)現(xiàn)了等離子體電流翻倍，等離子體電子溫度提升超過(guò)2倍，最高電子溫度超過(guò)1.2 keV。

根據(jù)陳銳介紹，球形托卡馬克簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是小型化的托卡馬克裝置。過(guò)去 80 多年的可控聚變研究中，托卡馬克作為磁約束路徑，是目前最主流且經(jīng)過(guò)廣泛研究的一條路線，已被眾多科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)采用，包括 ITER 和 JET 等大型項(xiàng)目。然而，傳統(tǒng)的托卡馬克裝置通常體積較大且造價(jià)高昂。目前，人類所制造的最大托卡馬克裝置直徑有30—40米。而位于西安的SUNIST-2球形托卡馬克裝置直徑只有3米左右。

作為更小型的裝置，在資金和空間使用上的成本將更經(jīng)濟(jì)，對(duì)于星環(huán)聚能這樣的商業(yè)化公司來(lái)說(shuō)，這種低成本的裝置更具優(yōu)勢(shì)。當(dāng)然，裝置的變小并不意味著更簡(jiǎn)單，反而對(duì)技術(shù)的要求更加精細(xì)，需要面對(duì)更多的的工程與技術(shù)挑戰(zhàn)。

50年定律變10年之約

陳銳表示，目前星環(huán)聚能的這臺(tái)球形托卡馬克裝置總投資額約為1.5億元，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他托卡馬克裝置。但這臺(tái)裝置只能把等離子體加熱到1,700萬(wàn)攝氏度。目前，星環(huán)聚能正在設(shè)計(jì)制造一個(gè)直徑大概在6—8米的新裝置，通過(guò)裝置迭代不斷提升數(shù)據(jù)指標(biāo)，最終達(dá)到聚變條件。

對(duì)于等離子體加熱，陳銳解釋道，可控聚變的實(shí)現(xiàn)類似于“燒開(kāi)水”的過(guò)程。

人類已知常見(jiàn)的燒水方法是使用爐子，在外面加一圈柴火讓它熱起來(lái)，所有的傳統(tǒng)方案基本都是如此?？煽睾司圩冾I(lǐng)域當(dāng)然不是真使用柴火，而是通過(guò)射線裝置或者粒子波加熱，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是注入高能量的粒子，讓高能量粒子與量粒子撞擊從而讓溫度提升。

另一種方案就是撤掉外面的柴火，通過(guò)內(nèi)部微粒之間“自摩擦”產(chǎn)生能量加熱，這種方案就是星環(huán)聚能獨(dú)有的磁重聯(lián)加熱技術(shù)。依靠等離子體的電流產(chǎn)生磁能，這部分磁能可以通過(guò)磁重聯(lián)的過(guò)程轉(zhuǎn)化為等離子體的動(dòng)能，實(shí)現(xiàn)等離子體的加熱。這種加熱方式可以視為等離子體通過(guò)其內(nèi)部的“自摩擦”來(lái)提高溫度。就能免去額外的輔助加熱設(shè)備，大大降低了加熱的成本。

雖然過(guò)程相較于傳統(tǒng)方案更加復(fù)雜，但對(duì)于擁有20年研發(fā)經(jīng)驗(yàn)的星環(huán)聚能來(lái)說(shuō)，對(duì)這一技術(shù)方案有著強(qiáng)烈的自信。

在可控核聚變領(lǐng)域有一個(gè)頗為有意思的“50年定律”，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是實(shí)現(xiàn)可控核聚變永遠(yuǎn)需要50年的時(shí)間。

這條定律的由來(lái)與其發(fā)展歷史息息相關(guān)。在上世紀(jì)五六十年代，可控核聚變熱潮爆發(fā)。由于聚變技術(shù)的產(chǎn)物氫彈的成功爆炸讓人們對(duì)于可控核聚變的實(shí)現(xiàn)充滿信心。但事實(shí)卻是，長(zhǎng)久的科研沒(méi)有使得可控核聚變有突破性的進(jìn)展。久而久之，人們對(duì)于可控核聚變失去信心，并有了“50年定律”的誕生。

對(duì)此，陳銳樂(lè)觀地表示：“在今時(shí)今日的角度來(lái)說(shuō)，我覺(jué)得‘永遠(yuǎn)的50年’可能不太成立了，甚至說(shuō)得樂(lè)觀一點(diǎn)，也許只需要10年?！?/p>

20年深厚的積累中，星環(huán)聚能掌握了上述提到的球形托卡馬克、磁重聯(lián)加熱技術(shù)和短脈沖重復(fù)運(yùn)行（以類似于多沖程內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)模式不斷重復(fù)磁重聯(lián)）、高溫超導(dǎo)（高溫超導(dǎo)為打破聚變堆緊湊化的瓶頸提供了關(guān)鍵技術(shù)）等可控核聚變領(lǐng)域的突破性技術(shù)。

這條創(chuàng)新的技術(shù)路線，也為陳銳樂(lè)觀地說(shuō)出10年之約提供了底氣和動(dòng)力。

可控核聚變的商業(yè)化故事

一直以來(lái)，任何硬科技都有一個(gè)擺在明面上的難題——商業(yè)化落地。曾有觀點(diǎn)認(rèn)為，越難的技術(shù)就越難完成商業(yè)化落地。

陳銳坦言，可控核聚變是一個(gè)需要長(zhǎng)時(shí)間投入的事業(yè)，哪怕再樂(lè)觀也需要10年的周期。而在這十年期間可能需要接近百億人民幣的投入，這么長(zhǎng)的周期，這么大的投入，怎樣去獲得資本的支持尤為重要。

在陳銳看來(lái)，，掌握自身造血能力是吸引資本的一大優(yōu)勢(shì)。

陳銳表示，星環(huán)聚能預(yù)計(jì)于 2027 年底或 2028 年初開(kāi)始進(jìn)行商業(yè)示范堆的建設(shè)，3-5 年內(nèi)完成，目標(biāo)是在 2030 年左右展示一個(gè)可輸出電能的聚變反應(yīng)堆。

這也是星環(huán)聚能的一個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，在成功建設(shè)商業(yè)示范堆后，星環(huán)聚能將進(jìn)入真正的商業(yè)化階段，將聚變技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際電力生產(chǎn)。

目前星環(huán)聚能有兩類比較重要的技術(shù)成果轉(zhuǎn)化，一類是診斷系統(tǒng)，可控核聚變中對(duì)等離子體的控制十分關(guān)鍵，這就要了解等離子體的能量、溫度、密度。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就需要在非常復(fù)雜的電磁環(huán)境下去捕捉一些非常微小的信號(hào)。聽(tīng)起來(lái)是一件很具有挑戰(zhàn)的事情，過(guò)程中所涉及的隔離放大器、硬件積分器等都是星環(huán)聚能自主研制的。這些裝置不僅可以應(yīng)用在可控核聚變領(lǐng)域，也可以應(yīng)用在其他復(fù)雜的科技領(lǐng)域中去。

目前，該類產(chǎn)品也進(jìn)入市場(chǎng)推廣階段，陳銳透露去年診斷類的產(chǎn)品訂單大概是百萬(wàn)級(jí)。

另一類技術(shù)轉(zhuǎn)化就是高溫超導(dǎo)磁體，它是推動(dòng)商業(yè)化聚變最關(guān)鍵的技術(shù)之一，同時(shí)在醫(yī)療、科學(xué)計(jì)算等領(lǐng)域都有非常大的影響。星環(huán)聚能今年在磁體技術(shù)上的收入大概會(huì)在千萬(wàn)級(jí)。

陳銳進(jìn)一步表示，診斷和高溫超導(dǎo)都還只是星環(huán)聚能商業(yè)化故事的開(kāi)始，在未來(lái)，星環(huán)聚能會(huì)更專注實(shí)現(xiàn)聚變商業(yè)化，不斷拓展商業(yè)邊界。